Фізики з США і Японії виявили, що надпровідність скрученого під магічним кутом тришарового графена витримує магнітні поля, що в 2-3 рази перевищують теоретично передбачену межу Паулі для спін-синглетного спарювання, а також зафіксували ефект поворотної надпровідності на температурах, близьких до абсолютного нуля. Ці та інші результати експериментів вказують на те, що тришаровий графен не відноситься до спін-синглетних надпровідників - найбільш поширених надпровідників, описуваних теорією Бардіна - Купера - Шріффера. Стаття опублікована в
Відомо безліч сполук, що проявляють надпровідність - властивість володіти нульовим опором нижче критичної температури. Крім простих елементів і сплавів в цей список входять кераміки, пніктиди заліза, гідриди та органічні сполуки. Три роки тому група фізиків під керівництвом Пабло Харільо-Ерреро (Pablo Jarillo-Herrero) з MIT виявила надпровідність при температурі 1,7 кельвін у двошаровому графені, аркуші якого повернуті на магічний кут в 1,1 градус. При такому скручуванні шарів залежність енергії від імпульсу електронів у двошаровому графені стає плоскою, що дозволяє їм локалізуватися в долинах максимального збігу комірок обох решіток, які розташовуються в центрах шестикутників муарової надрешітки. Однією з переваг цієї конструкції є можливість регулювати щільність носіїв заряду в надпровіднику не перериваючи експерименту, що дозволяє вивчати фазову діаграму надпровідності у всіх подробицях. Примітно, що своєю фазовою діаграмою, а також «дивнометалевими» властивостями повернутий на магічний кут двошаровий графен нагадує купрати - високотемпеолог ні надпровідники-рекордсмени при атмосферному тиску. Дослідження викликало великий резонанс у науковому співтоваристві, вийшло понад 30 теоретичних досліджень першопричин надпровідності в графені, а про фононну гіпотезу ми писали в іншому нашому матеріалі.
У минулому році ті ж автори досліджували надпровідність тришарового графену, причому максимальна температура надпровідності 2,9 кельвін спостерігалася, коли середній шар був повернутий відносно двох інших на магічний кут в 1,57 градуса. З точки зору залежності енергії електронів від імпульсу така структура може бути зведена до шару відокремленого графена і двошарового графену, скрученого на магічний кут тришарового графена ділити на корінь з двох. Регулювання електронної структури тут стало ширшим і тепер дозволяє досліджувати властивості графена залежно від накладеного електричного поля. Більш того, за допомогою вдосконаленого регулювання фізики змогли перевести з'єднання в стан надсильного зв'язку, що зробило його найсильнішим з відомих надпровідників і наблизило надпровідник до переходу в конденсат Бозе - Ейнштейна.
У більшості надпровідних матеріалів (у тому числі тих, що описуються теорією БКШ) переважає спін-синглетне спарювання - це означає, що спини електронів в куперівській парі спрямовані протилежно, причому імпульси електронів, що входять в пару, також протилежно спрямовані і знаходяться в тонкому шарі поблизу поверхні фермі. При включенні магнітного поля виникає ефект Зеємана: енергії електронів з протилежними спинами і рівними енергіями розходяться на величину, пропорційну величині поля, що зменшує кількість куперівських пар і руйнує надпровідність. Точний підрахунок в теорії БКШ з критичною температурою Tc і множником Ланде g = 2 дає значення BP = 1.86 Тс для критичного поля, при якому пропадає надпровідна фаза. Таке поле називають межею Паулі.
У новій роботі все та ж група вчених продовжила дослідження тришарового магічно-повернутого графена і виявила у нього непередбачену здатність долати межу Паулі. Для отримання великих відомостей про надпровідність зразка фізики встановили два електроди паралельно пластинам графена, і далі, в залежності від поданої напруги, при фіксованому значенні електричної індукції регулювали параметр заповнення порожніх, рівний числу електронів у муаровій комірці. Вимірювання опору зразка залежно від паралельно доданого магнітного поля, температури і параметра заповнення виявило область надпровідності при 10 Тесла, що перевищує ліміт Паулі в 2-3 рази.
Експериментатори зазначають, що порушення межі Паулі для надпровідників спин-синглетного типу зазвичай виникає за рахунок сильної спін-орбітальної взаємодії (взаємодії спину електрона з його власним орбітальним рухом), яка може значно впливати на надпровідні властивості речовини, але в графені ця взаємодія в 30 разів слабша за необхідну. Іншою причиною завищеної резистивності до магнітного поля у спін-синглетних надпровідників може виступити утворення пар Ларкіна - Овчиннікова - Фульде - Феррелла (FFLO-пара), які, на відміну від куперівських пар, мають ненульовий повний імпульс, однак за рахунок такого ефекту межа Паулі не може бути перевищена більш ніж на сорок відсотків (вчені спостерігали збільшення збільшення критичного поля в крила). Третій варіант - перевищення межі за рахунок сильного зв'язку в електронів також розбивається об експериментальні дані. Неприменимість відомих механізмів для опису даного ефекту спонукала авторів висунути гіпотезу, що в магічному тришаровому графені надпровідність має спін-триплетний характер - електрони утворюють пари з повним спином рівним 1 (ми вже писали про різні механізми надпровідності в матеріалі «Нижче критичної температури»).
Теоретично ця гіпотеза може бути підкріплена наступним міркуванням. У триплітковому надпровіднику спинова конфігурація параметра порядку описується комплексним вектором d, а реакція спін-триплетних станів на зовнішнє магнітне поле B залежить від кута між d і B. Стану з паралельно розташованими B і d повністю придушуються, як у разі спін-синглетної надпровідності, тоді як стану ESP (equal-spin pairing) коли, векd реагує на векпенди. Однак і ці стани в кінцевому рахунку руйнуються - в графенових системах з магічним кутом додатковий спиновий ступінь свободи може призвести до ефекту розриву пар через орбітальні ефекти. Таким чином, стан триплета ESP може бути життєздатним кандидатом на роль стану, при якому допустимо велике порушення межі Паулі.
Також вчені виміряли залежність опору від магнітного поля вище 5 Тесла при температурах менше 2 кельвінів і виявили поворотну надпровідність - явище, при якому збільшення магнітного поля призводить до руйнування надпровідності, її повторної появи і потім до остаточного руйнування при досить великих полях. Більш детальне дослідження залежності опору від магнітного поля, електричного поля і параметра заповнення при фіксованій температурі 0,4 кельвіна виявило складну структуру переходу: між великими областями надпровідності (SC-I і SC-II) спостерігаються острівці надпровідності менших розмірів.
Раніше поворотна надпровідність спостерігалася в з'єднаннях урану, таких як UPt3, UGe2, UTe2. Варто зауважити, що надпровідність в цих сполуках імовірно також носить спін-триплетний характер, що переконує в правильності висунутої вченими гіпотези.
Порівнюючи тришаровий магічно-повернений графен з іншими надпровідниками, здатними витримувати великі магнітні поля, а також з надплинним гелієм-3 фізики дійшли висновку, що перехід між низькополевою (SC-I) і поворотною фазою (SC-II) може бути фазовим переходом першого роду, причому фази, по-видимому, спін-триплетні мають різні параметри і порядку. Автори сподіваються, що майбутні дослідження дадуть повну картину парних процесів у різних надпровідних фазах з'єднання.
Раніше ми розповідали про інші незвичайні здібності двошарового графену: він може перетворюватися на аномальний магніт, набувати властивостей алмазу і ставати напівпровідником.